EP0081208A2 - Statische Speicherzelle - Google Patents

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EP0081208A2 EP82111172A EP82111172A EP0081208A2 EP 0081208 A2 EP0081208 A2 EP 0081208A2 EP 82111172 A EP82111172 A EP 82111172A EP 82111172 A EP82111172 A EP 82111172A EP 0081208 A2 EP0081208 A2 EP 0081208A2
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    • G11C11/34—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices
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    • G11C11/41—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming static cells with positive feedback, i.e. cells not needing refreshing or charge regeneration, e.g. bistable multivibrator or Schmitt trigger
    • G11C11/412—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming static cells with positive feedback, i.e. cells not needing refreshing or charge regeneration, e.g. bistable multivibrator or Schmitt trigger using field-effect transistors only

Definitions

  • the invention relates to a static memory cell comprising two feedback inverters, in which each inverter consists of a switching transistor and a load element designed as a depletion transistor.
  • RAMs Corresponding random access memories
  • MOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the current consumption of corresponding static RAM's should be kept low, especially in standby mode. However, because of the large load elements then required, this requires a considerable increase in the space requirement of a memory cell. Low energy consumption is particularly important if the information of the RAM cells is to be retained even in the event of a short power failure and for this reason the cells are supplied by an external capacitor during the power failure.
  • the object of the present invention is to remedy this situation and to create a static memory cell which is low in power loss and requires little space.
  • an additional potential source is connected between the output node of each inverter, which is connected to the drain electrode of the switching transistor and the gate electrode of the depletion transistor, and the drain electrode of the depletion transistor.
  • the threshold voltage of the depletion transistor changes as a result of the additional potential source acting as a source bias, which on the one hand causes a shift in the so-called depletion curve and thus a decrease in current.
  • the gate electrode of the depletion transistor becomes. with respect to the source electrode so that the current continues to decrease.
  • the potential source can be implemented in a technologically simple manner by means of an enhancement transistor whose gate electrode is connected to the drain electrode.
  • Embodiments of the memory cell according to the invention are characterized in the subclaims.
  • the memory cell has a first inverter consisting of the depletion transistor T1 and the switching transistor T2 designed as an enhancement type, and a second inverter consisting of depletion transistor T11 and switching transistor T12 analogously to the first inverter.
  • the drain electrode of the depletion transistor T1 is connected to the operating voltage V DD .
  • the source electrode and the gate electrode of the depletion transistor T1 are connected to the drain electrode of the switching transistor T2 at the output node 1.
  • the source electrode of the switching transistor T2 is grounded. The same applies correspondingly to the second inverter formed from transistors T11 and T12.
  • FIG. 3 shows the depletion curve, ie the dependence of the current I D on the gate-source voltage V GS .
  • the additional potential V x has two additive effects: First, it changes the threshold voltage V tDO ' as the source bias, which causes a shift of the depletion curve to the right (from 3 to 4) and therefore a decrease in current.
  • any voltage source such as a battery, can be used as an additional potential source V x .
  • the additional voltage drop can be realized economically and technologically simply in such a way that, as shown in FIG. 4, an enhancement transistor T3, the gate electrode of which is connected between the output node of the first inverter consisting of transistors T1 and T2 its drain electrode is connected. Accordingly, an enhancement transistor T13 is connected between the output node 11 of the second inverter consisting of the transistors T11 and T12 and the source electrode of the transistor T11.
  • V tE0 means the threshold voltage of the enhancement transistor at zero source voltage.
  • the lengths of the transistors can be derived from (1) and (3) as follows:
  • This value determines the two lengths L D , L E by (6) and (7) and is independent of both the current flowing through the branch and the width W if it is chosen to be the same for both transistors.
  • the channel width of both transistors can of course also be selected differently.
  • the channel of the transistor T1 In order to limit the current through a depletion transistor T1 operated in saturation according to FIG. 1 (prior art) to 10 ⁇ A, the channel of the transistor T1 must be 103 ⁇ m long, i.e. approximately 4 times longer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine statische Speicherzelle aus zwei rückgekoppelten Invertern, bei der jeder Inverter aus einem Schalttransistor (T2, T12) und einem als Depletion-Transistor ausgeführten Lastelement (T1, T11) besteht. Zwischen dem Ausgangsknoten (1, 11) jedes Inverters, der mit der Drainelektrode des Schalttransistors (T2, T12) und der Gateelektrode des Depletion-Transistors (T1, T11) verbunden ist, und der Drainelektrode des Depletion-Transistors (T1, T11) ist zur Verringerung der Leistung eine zusätzliche Potentialquelle (2) geschaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine statische Speicherzelle aus zwei rückgekoppelten Invertern, bei der jeder Inverter aus einem Schalttransistor und einem als Depletion-Tran-- sistor ausgeführten Lastelement besteht.
  • Entsprechende auch als "Depletion Load"-Speicherzellen bezeichnete, in MOS-Technik hergestellte Random-Acces-Memories (RAM's) sind z.B. aus W. Söll, J.-H. Kirchner, Digitale Speicher, Vogel-Verlag, 1978, S. 132 und 133 bekannt. Die Stromaufnahme entsprechender statischer RAM's soll insbesondere im Standby-Betrieb klein gehalten werden. Dies erfordert jedoch wegen der dann notwendigen großen Lastelemente eine erhebliche Erhöhung des Flächenbedarfs einer Speicherzelle. Ein geringer Energieverbrauch ist insbesondere auch dann von Bedeutung, wenn die Informationen der RAM-Zellen auch bei einem kurzen Netzausfall erhalten bleiben sollen und aus diesem Grunde die Zellen während des Stromausfalls von einem externen Kondensator versorgt werden.
  • Zur Verringerung des Stromverbrauches statischer RAM-Zellen ist es aus IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. SC-15, No. 5, October 1980, S. 826 bis 830 bekannt, die Lastelemente als nicht dotierte Polysilicium-Widerstände auszuführen. Dies erfordert jedoch zusätzliche technologische Schritte bei der Herstellung der RAM-Zellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hier Abhilfe zu schaffen, und eine statische Speicherzelle zu schaffen, die bei geringem Flächenbedarf verlustleistungsarm ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Speicherzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Ausgangsknoten jedes Inverters, der mit der Drainelektrode des Schalttransistors und der Gateelektrode des Depletion-Transistors verbunden ist, und der Drainelektrode des Depletion-Transistors eine zusätzliche Potentialquelle geschaltet ist. Durch die als Sourcevorspannung wirkende zusätzliche Potentialquelle verändert sich die Einsatzspannung des Depletion-Transistors, wodurch einerseits eine Verschiebung der sogenannten Depletion-Kurve und somit eine Stromabnahme verursacht wird. Die Gate- elektrode des Depletion-Transistors wird andererseits. bezüglich der Source-Elektrode negativ, so daß der Strom weiter abnimmt.
  • In technologisch einfacher Weise ist die Potentialquelle durch einen Enhancement-Transistor, dessen Gate- elektrode mit der Drainelektrode verbunden ist, zu realisieren.
  • Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Speicherzelle sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine statische Speicherzelle nach dem Stand der Technik,
    • Fig. 2 die schaltungstechnische Anordnung der erfindungsgemäBen zusätzlichen Potentialquelle,
    • Fig. 3 die erfindungsgemäß erreichte Verschiebung der Depletion-Kurve und
    • Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Speicherzelle.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Fig. 1 zeigt eine statische Speicherzelle nach dem Stand der Technik, die z.B. in Silicon-Gate-Depletion-Mode-Technologie hergestellt sein kann. Die Speicherzelle weist einen ersten aus dem Depletion-Transistor T1 und aus dem als Enhancement-Typ ausgeführten Schalttransistor T2 bestehenden Inverter und einen zweiten, analog zum ersten Inverter aus Depletion-Transistor T11 und Schalttransistor T12 bestehenden Inverter auf. Die Drain-Elektrode des Depletion-Transistors T1 ist mit der Betriebsspannung VDD verbunden. Die Source-Elektrode und die Gateelektrode des Depletion-Transistors T1 sind mit der Drainelektrode des Schalttransistors T2 am Ausgangsknoten 1 verbunden. Die.Sourceelektrode des Schalttransistors T2 liegt an Masse. Für den zweiten, aus den Transistoren T11 und T12 gebildeten Inverter gilt entsprechendes.
  • Durch die kreuzweise Verbindung der Gate- und der Drainanschlüsse der Schalttransistoren T2 und T12 ergibt sich in bekannter Weise die Arbeitsweise eines Flip-Flops mit zwei stabilen Betriebszuständen.
  • Der Strom durch einen in Sättigung betriebenen Depletion-Transistor T1 berechnet sich nach:
    Figure imgb0001
    mit
    • KD: Depletion-Steuerfaktor (geometrie- und materialabhängige Konstante)
    • WD: Kanalbreite des Depletion-Transistors
    • LD: Kanallänge des Depletion-Transistors
    • VGS: Gate-Source-Spannung
    • VtD: Einsatzspannung des Depletion-Transistors.
  • Die Einsatzspannung VtD des Depletion-Transistors T1 hängt von der Source-Spannung VX, d.h. der zwischen Source und Substrat liegenden Spannung wie folgt ab (angenommen VBB=0, d.h. Substrat mit Masse verbunden):
    Figure imgb0002
    mit VtDO: Einsatzspannung des Depletion-Transistors bei Source-Spannung 0 -
    • FD: Substratsteuerfaktor des Depletion-Transistors,
    • ØF: Fermipotential.
  • Will man den Strom durch Verlängerung der Kanallänge verringern, so werden lange Transistoren benötigt, was einen erhöhten Flächenbedarf erfordert. Schaltet man nun erfindungsgemäß zwischen die Source-Elektrode des Depletion-Transistors T1 und den Ausgangsknoten 1 eine zusätzliche Potentialquelle 2 mit dem Potential Vx, die entsprechend dem Depletion-Transistor T1 gepolt ist, d.h. bei n-Kanal-Technologie zur Source-Elektrode des Depletion-Transistors T1 hin positiv gepolt ist (Fig. 2), so wird sowohl die Einsatzspannung VtD positiver als auch die Gate-Spannung VGS negativer, so daß gemäß Gleichung (1) der Strom in zweifacher Weise verringert wird.
  • Dies verdeutlicht die Fig. 3, die die Depletion-Kurve, d.h. die Abhängigkeit des Stromes ID von der Gate-Source-Spannung VGS darstellt. Das zusätzliche Potential Vx hat zwei sich addierende Wirkungen: Zum ersten verändert es als Sourcevorspannung die Einsatzspannung VtDO' was eine Verschiebung der Depletion-Kurve nach rechts (von 3 nach 4) und daher eine Stromabnahme verursacht.
  • Zum anderen wird das Gate bezüglich der Source negativ, die Ordinatenachse wird somit nach links verschoben (von 5 nach 6), so daß der Strom ID weiter abnimmt. Die gesamte, durch die zusätzliche Potentialquelle Vx bewirkte Änderung des Stromes ID ist mit A ID bezeichnet.
  • Als zusätzliche Potentialquelle Vx kann z.B. jede beliebige Spannungsquelle, wie z.B. eine Batterie verwendet werden. Wirtschaftlich günstig und technologisch einfach kann der zusätzliche Spannungsabfall in der Weise realisiert werden, daß, wie in der Fig. 4 gezeigt, zwischen dem Ausgangsknoten des aus Transistor T1 und T2 bestehenden ersten Inverters ein Enhancement-Transistor T3 geschaltet wird, dessen Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode verbunden ist. Entsprechend wird zwischen den Ausgangsknoten 11 des aus den Transistoren T11 und T12 bestehenden zweiten Inverters und der Source-Elektrode des Transistors T11 ein Enhancement-Transistor T13 geschaltet.
  • Um die Leitfähigkeit des Depletion-Transistors T1 bzw. des Depletion-Transistors T11 immer zu gewährleisten muß .
    Figure imgb0003
    sein.
  • Die Lösung dieser Ungleichung ergibt:
    Figure imgb0004
    wobei
    Figure imgb0005
    und
    Figure imgb0006
    ist.
  • Wird der Spannungsabfall Vx, wie in der Fig. 4 gezeigt, durch einen Enhancement-Transistor T3 bzw. T13 ersetzt, so gilt für T3:
    Figure imgb0007
    mit
    • IE: Strom durch den Enhancement-Transistor
    • KE: Steuerfaktor des Enhancement-Transistors
    • WE: Kanalbreite des Enhancement-Transistors
    • LE: Kanallänge des Enhancement-Transistors
    • VtE: Einsatzspannung des Enhancement-Transistors.
  • Sperrt der Schalttransistor T2, so muß dafür gesorgt werden, daß die Spannung Vx am Enhancement-Transistor T3, die etwa der Einsatzspannung.VtE entspricht, der Ungleichung (2) genügt:
    Figure imgb0008
  • Wenn der Schalttransistor T2 leitend wird, ist
    Figure imgb0009
    wobei die Restspannung am Schalttransistor T2 vernachlässigt wird und VtE0 die Einsatzspannung des Enhancement-Transistors bei Source-Spannung Null bedeutet.
  • Als zur Dimensionierung des Enhancement-Transistors T3 zu beachtende Grenzwerte für die Spannung Vx bzw. die Drain-Source-Spannung des Transistors T3 ergeben sich dann die Grenzwerte:
  • Figure imgb0010
    Im einzelnen können die Transistoren T1 und T3 bzw. T11 und T13 wie folgt dimensioniert werden:
    • Für den vorgegebenen Strom I, der in die Zelle fließen darf gilt
      Figure imgb0011
  • Nimmt man für die Transistoren T1 und T3 beispielsweise gleiche Kanalbreiten (W=WD=WE) an, so lassen sich aus (1) und (3) die Längen der Transistoren wie folgt ableiten:
    Figure imgb0012
    Figure imgb0013
  • Eine optimale Längenkombination von LD (Kanallänge von T1) und LE (Kanallänge von T3) liefert eine minimale Gesamtlänge L, wobei L = LD + LE. Man sucht nun für dieses Minimale L das betreffende Vx (innerhalb der obengenannten Grenzwerte). Vx genügt folgender Gleichung:
    Figure imgb0014
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
  • Durch Nullsetzen erhält man:
    Figure imgb0017
    Figure imgb0018
  • Sortieren nach Potenzen ergibt:
    Figure imgb0019
    mit
    Figure imgb0020
    Figure imgb0021
  • Durch Interpolation dieser Kurve (5) innerhalb der obengenannten Grenzwerte (Gleichung (8)) ist festzustellen, daß sie nach Null tendiert und der entsprechende Vx-Wert ein Minimum für L ist.
  • Dieser Wert bestimmt durch (6) und (7) die zwei Längen LD, LE und ist unabhängig sowohl von dem Strom, der durch den Zweig fließt, als auch von der Weite W, wenn sie gleich für beide Transistoren gewählt wird. Die Kanalweite beider Transistoren kann jedoch selbstverständlich auch unterschiedlich gewählt werden.
  • Dimensionierungsbeispiel in NMOS-Silicon-Gate-Depletion-Mode-Technologie:
    Figure imgb0022
    Figure imgb0023
    Figure imgb0024
    Figure imgb0025
    Figure imgb0026
    Figure imgb0027
    Figure imgb0028
  • Vx-Grenzwerte: 0,7 bis 3,22 V
    Figure imgb0029
    Figure imgb0030
    Figure imgb0031
    Figure imgb0032
  • Um den Strom durch einer in Sättigung betriebenen Depletion-Transistor T1 nach Fig. 1 (Stand der Technik) auf 10µA zu begrenzen muβ der Kanal des Transistors T1 dagegen 103µm lang, d.h. annähernd den Faktor 4 länger, dimensioniert werden.

Claims (3)

1. Statische Speicherzelle aus zwei rückgekoppelten Invertern, bei der jeder Inverter aus einem Schalttransistor (T2, T12) und einem als Depletion-Transistor ausgeführten Lastelement (T1, T11) besteht, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Ausgangsknoten (1, 11) jedes Inverters, der mit der Drainelektrode des Schalttransistors (T2, T12) und der Gateelektrode des Depletion-Transistors (T1, T11) verbunden ist, und der Drainelektrode des Depletion-Transistors (T1, T11) eine zusätzliche Potentialquelle (2) geschaltet ist.
2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als zusätzliche Potentialquelle (2) ein Enhancement-Transistor (T3), dessen Gateelektrode mit der Drainelektrode verbunden ist, vorgesehen ist.
3. Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Enhancement-Transistor (T3) so ausgeführt ist, daß seine sich zwischen Drainelektrode und Sourceelektrode ausbildende Spannung im Bereich zwischen VtE0 und Vx2. liegt, mit
VtEO= Einsatzspannung des Enhancement-Transistors bei Sourcespannung gleich Null.
Figure imgb0033
wobei
Figure imgb0034
FD: Substratsteuerfaktor eines Depletion-Transistors,
ØF: Fermipotential.
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